CN102305627A - 具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电技术领域的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，包括：圆盘状压电振子，支撑圆柱，驱动电极，信号检测电极，模态检测电极和电位参考电极；圆盘状压电振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在基体上，驱动电极、信号检测电极以及模态检测电极位于圆盘状压电振子的上表面，电位参考电极位于圆盘状压电振子的下表面。本发明采用圆盘状压电振子的特殊模态，利用科氏加速度效应和压电效应来敏感平行于压电振子上下表面内的角速度。本发明采用MEMS微细加工技术，结构简单，能实现双轴检测，加工工艺易于实现，可靠性高，功耗低，抗冲击性强，不需要真空封装，在恶劣的环境下能够很好的工作。

Description

具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种能够精确地测量运动物体转动的角度或角速度的仪器，是空间物体姿态控制和惯性制导的核心部件。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向体积小、多轴检测、功耗低、可靠性高、寿命长、能适应各种恶劣环境的方向发展。

经对现有技术的文献检索发现，2006 年1 月,在土耳其Istanbul 召开的IEEE MEMS 2006 会议上，日本神户大学的K.Maenaka等人发表了一篇题为“新型微固态陀螺”的论文，该论文被收录在第634页到第637页，首次提出了一种压电式全固态微型陀螺，利用方形压电体质量块在某个振动频率下存在一种特殊的振动模态，在该振动模态下，压电体质量块上各质点都沿着同一个轴向运动,使得压电体的棱边沿着某个轴向作拉伸或压缩运动。以此特殊模态下的振动作为参考振动，假设压电体的极化方向为Z方向，参考振动方向为X方向，当外界输入Y方向上的角速度时，由于科氏力的作用，压电质量块会在其极化方向上(即Z 轴方向上) 产生拉伸或压缩运动。由于压电体的压电效应，Z方向的振动会在压电体垂直于Z方向的表面产生感应电荷或电压，感应电荷或电压的量值和外界输入角速度成正比，通过检测外围电路放大之后的电荷或电压来测量外界输入角速度的大小。

中国专利“具有正方形表面长方体压电振子的全固态陀螺仪”（专利申请号：200810041675.5），是在日本微固态陀螺的基础上利用新的高阶模态，新型的结构，发明的基于正方体压电块的双轴检测固态陀螺仪，其基本原理为利用压电体质量块在某个振动频率下存在的一种特殊的高阶振动模态,在该振动模态下,压电体质量块上下表面的特殊位置在X轴向和Y轴向分别产生方向相反的运动。以此特殊模态下的振动作为参考振动，当有外界角速度输入时，运动方向相反的位置产生相反的科氏力，引起压电体Z方向的振动。由于压电效应，Z方向的振动会在压电体垂直于Z方向的表面产生感应电荷或电压，感应电荷或电压的量值和外界输入角速度成正比，通过检测外围电路放大之后的电荷或电压来测量外界输入角速度的大小。

此技术存在如下不足：首先，由于其上下表面都有多个电极，其加工工艺复杂，双面电极定位精度要求高，多个电极的引线对陀螺性能也会产生影响；其次，压电振子为方形压电块，其刚度较大，产生的有效振动幅值较小；最后，由于压电振子为方形压电块，其存在直角边，在受力过程中会产生应力集中现象，在高频工作状态下，影响陀螺的可靠性和寿命。

发明内容                                             

本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，结构上采用带有弹性圆柱体支撑的圆盘状压电振子，利用圆盘状压电振子特有模态下的特殊振动方式，实现陀螺仪双轴敏感的功能。驱动电极只分布在圆盘状振子的上表面，下表面只有一整块电极接地作为参考点位，加工工艺简单，不需双面对准，陀螺电极引线较少。压电振子为圆盘状，刚度相对较小，振动幅值较大，灵敏度较高，且受力过程中减少了应力集中现象，具有较好的可靠性和较长的寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：圆盘状压电振子，支撑圆柱，驱动电极，信号检测电极，模态检测电极和电位参考电极；圆盘状压电振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在基体上，驱动电极、信号检测电极以及模态检测电极位于圆盘状压电振子的上表面，电位参考电极位于圆盘状压电振子的下表面。

所述压电振子的材料为压电材料，结构为圆盘状，圆盘的上表面和下表面平行。

所述支撑圆柱为弹性结构材料，支撑的圆柱体同圆盘的下表面垂直，支撑圆柱体下端固定在基体上。

所述驱动电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状压电振子的上表面，相隔一定角度，均匀的分布在和圆形表面同心的圆周上，圆弧电极的外径小于圆盘的半径的2/3。

所述信号检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状压电振子的上表面，相隔一定角度，均匀的分布在上表面圆周上，圆弧电极的外径等于圆盘半径，内径大于圆盘半径的2/3。

所述模态检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有两个，位于圆盘状压电振子的上表面，相隔180°分布在和圆形表面同心的圆周上，内径半径大于圆弧形驱动电极的外径，外径小于圆弧状检测电极的内径。

所述电位参考电极为金属电极，为圆环状，位于圆盘状压电振子的下表面，圆环外径等于下表面圆盘的半径，内径等于支撑圆柱的半径。

所述上表面驱动电极和检测电极在圆盘上的分布关于上表面圆心对称，驱动电极之间分布相隔角度和信号检测电极分布相隔角度相同。关于圆心对称的两对驱动电极或两对检测电极的中心连线经过圆盘上表面圆心，分别为第一中心线和第二中心线，第一中心线和第二中心线垂直。模态检测电极圆弧的角度为驱动电极或信号检测电极分布相隔的角度。

本发明利用圆盘状压电振子在特殊模态下的振动作为参考振动，同时利用压电材料的压电效应进行输出信号的检测。当在驱动电极上施加与选定模态频率匹配的交变电压激励时，圆盘形振子会产生一种特殊的振动。圆盘形振子沿上表面第一、第二中心线的方向分别做拉伸或压缩运动，当沿上表面第一中心线方向拉伸时，沿上表面第二中心线方向压缩，当沿上表面第一中心线方向压缩时，沿上下表面第二中心线方向拉伸。假设圆盘状压电振子沿X轴和Y轴方向拉伸和压缩，压电体的极化方向垂直于圆盘振子上下表面，设为Z方向，当外界输入与X轴向或Y轴向的角速度时，具有相同中心线的信号检测电极产生的科氏力方向相反，产生一个力矩，在竖直方向上（压电振子的极化方向）的振动发生变化，在输出电极上产生变化相反的电势输出，电势变化的大小与外界输入的角速度大小成正比。且在不同的方向上同时有角速度输出时，在不同的信号检测电极上都会产生电势变化，因此可通过检测不同信号检测电极上的电势变化来检测两个轴上角速度的输出。

本发明采用圆盘状压电块作为振子，结构简单，能实现双轴检测，加工工艺易于实现，可靠性高，功耗低，抗冲击性强，不需要真空封装，在恶劣的环境下能够很好的工作。本发明利用特殊模态下的特殊振动作为参考振动，高压电系数的压电体的正压电效应产生的电压信号作为检测信号，能够准确的检测外界输入的双轴方向上的角速度。本发明可用于卫星、武器、民用导航等领域。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图。

图2为本发明圆盘状振子所选用的工作模态总位移变化云图。

图3为本发明圆盘状压电振子在驱动状态下X方向位移变化云图。

图4为本发明圆盘状压电振子在驱动状态下Y方向位移变化云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

    如图1所示，本实施例包括压电振子1，支撑圆柱2，驱动电极4、7、9、12，信号检测电极5、8、10、13，模态检测电极6、11，电位参考电极3。

    压电振子1材料为压电材料，结构为圆盘形，圆盘状压电振子1其中一端为上表面，另一端与之平行的面为下表面，压电材料的极化方向垂直于圆盘的上下表面。

    弹性支撑圆柱2材料为弹性材料，结构为圆柱体，支撑圆柱一端同圆盘状压电振子的下表面相连，另一端固定在基体上，圆柱体垂直于圆盘状压电振子的上下表面。

    沿X轴分布的一对弧形驱动电极7、12和一对弧形信号检测电极8、13，沿Y轴分布的一对弧形驱动电极4、9和一对弧形信号检测电极5、10，对称的分布在圆盘状压电振子1圆形上表面同心的圆周上。弧形模态检测电极6、11相隔180°关于圆心对称，分布在圆盘状压电振子1圆形上表面同心的圆周上，位于弧形驱动电极的外径和弧形驱动电极的内径之间，弧度小于相邻驱动电极或相邻信号检测电极之间相隔的度数。圆环状电位参考电极3位于圆盘形压电振子的下表面，圆环外径等于下表面圆盘的半径，内径等于支撑圆柱的半径。以上各驱动电极都可以通过MEMS（微机电系统）工艺，利用光刻胶作为掩模，对光刻胶图形化之后进行电镀得到电极。在电极制作过程中由于圆盘状压电振子下表面整个表面都是电位参考电极，因此工艺简单，避免了双面对准光刻。

     如图2所示，通过模拟仿真发现圆盘状振子存在某阶特殊的振动模态，在该阶振动模态下，X轴上的一对信号检测电极8、13和Y轴上的一对信号检测电极5、10分别沿着X轴或Y轴做拉伸或压缩运动，且当X轴上的信号检测电极8、13沿着X轴拉伸时，Y轴上的信号检测电极5、10沿着Y轴压缩，当X轴上的信号检测电极8、13沿着X轴压缩时，Y轴上的信号检测电极5、10沿着Y轴拉伸。通过在圆盘状压电振子上表面X轴上的一对驱动电极7、12和Y轴上的一对驱动电极5、10分别施加频率同所选特殊模态频率匹配且反相的电压信号时，就可激励圆盘状压电振子产生特殊模态振动。

如图3和图4所示，由于X轴或Y轴上的一对信号检测电极沿X轴或沿Y轴的运动方向相反，因此当外界输入的X轴向的角速度时，沿Y轴方向伸长或压缩的一对信号检测电极5、10会受到方向相反的科氏力，产生一个力矩，在力矩的作用下，压电圆盘振子振动中心会发生偏离，引起Y轴上一对信号检测电极5、10输出信号发生改变，通过检测Y轴上一对信号检测电极5、10输出信号幅值的变化即可检测输入X轴向角速度的大小。同样，当外界输入Y轴方向的角速度时，沿X轴方向伸长或压缩的一对信号检测电极8、13会受到方向相反的科氏力，产生一个力矩，在力矩的作用下，压电圆盘振子振动中心会发生偏离，引起X轴上一对信号检测电极8、13输出信号发生改变，通过检测X轴上一对信号检测电极8、13输出信号幅值的变化即可检测输入X轴向角速度的大小。

由于在未输入角速度时的驱动模态下，X轴或Y轴上的一对信号检测电极也有电压信号输出，而X轴或Y轴上的一对信号检测电极在输入Y轴角速度或X轴角速度时受到科氏力的方向相反，输出信号的变化正负也相反，因此可通过信号的相减来去除驱动振动的信号影响。

本实施例中的加工工艺简单，压电材料通过粉末烧结法制备，通过将配比好的试料置于坩埚中压实，在高温箱式电炉中以一定的温度加热一段时间，便可得到块状压电体。对块状压电体进行切割、研磨等得到压电振子，然后以压电振子为为基体，利用MEMS（微机电系统）工艺，在压电振子表面旋一层涂光刻胶，然后利用制作好的掩模板进行光刻，光刻之后显影，之后电镀得到金属电极。由于驱动电极、信号检测电极和模态检测电极均在振子的上表面，下表面整个表面作为电位参考电极，不需要双面对准光刻，因此加工工艺易于实现。

由于压电材料本身的必然存在的缺陷和制造过程中不可避免的一些误差的影响，这就可能导致陀螺产生特殊振动模态的实际频率同激励信号频率不匹配，从而使陀螺的性能受到影响。通过仿真分析发现，在此模态振动时模态检测电极的电势存在一个极值，这一特点可用来检测陀螺是否工作在与选定的特殊模态匹配的共振频率下，减少理论和实际器件之间的误差，以保证陀螺的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征在于包括：圆盘状压电振子，支撑圆柱，驱动电极，信号检测电极，模态检测电极和电位参考电极；圆盘状压电振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在基体上，驱动电极、信号检测电极以及模态检测电极位于圆盘状压电振子的上表面，电位参考电极位于圆盘状压电振子的下表面。

2.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述圆盘状压电振子的材料为压电材料，圆盘的上表面和下表面平行。

3.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述支撑圆柱为弹性结构材料，支撑的圆柱体同圆盘状压电振子的下表面垂直，支撑圆柱体下端固定在基体上。

4.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述驱动电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状压电振子的上表面，以一角度均匀的分布在和圆形表面同心的圆周上，圆弧电极的外径小于圆盘状压电振子圆盘的半径的2/3。

5.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述信号检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状压电振子的上表面，以一角度均匀的分布在上表面圆周上，圆弧电极的外径等于圆盘状压电振子圆盘半径，内径大于圆盘状压电振子圆盘半径的2/3。

6.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述模态检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有两个，位于圆盘状压电振子的上表面，相隔180°分布在和圆形表面同心的圆周上，内径半径大于圆弧形驱动电极的外径，外径小于圆弧状检测电极的内径。

7.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述电位参考电极为金属电极，为圆环状，位于圆盘状压电振子的下表面，圆环外径等于下表面压电振子圆盘的半径，内径等于支撑圆柱的半径。

8.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述上表面驱动电极和检测电极在圆盘状压电振子上的分布关于上表面圆心对称，驱动电极之间分布相隔的角度和信号检测电极分布相隔的角度相同，关于圆心对称的两对驱动电极或两对检测电极的中心连线经过圆盘上表面圆心，分别为第一中心线和第二中心线，第一中心线和第二中心线垂直。

9.根据权利要求1所述的具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述模态检测电极圆弧的角度为驱动电极或信号检测电极分布相隔的角度。

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